第三章光纤材料与光纤器件
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第三章 光纤材料及光纤器件
• 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的 纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤实际是指由 透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的 材料做成的包层，并将射入纤芯的光纤的光信号，经包层界 面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤主要有两 个特性：损耗和色散。光纤通信具有传输频带宽，容量大， 传输距离远，质量高，保密性好等优点。光纤的优良特性， 使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等 多方面领域被广泛而大量应用，尤其在信息技术领域具有广 阔的应用前景。
18
2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
sini n12 n22 sin 2 r
r 90o 发生全反射，光线可在光纤中传播
19
i i0 arcsin n12 n22
光线的传播
1. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）
Cladding Cladding
光线的传播
介质平板波导结构： n1 n2 n3 在横截面的一个方向限制光波传播
11
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
在横截面的两个方向限制光波传播
12
光纤
13
光纤尺寸
★芯径 单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
★包层直径 普通光纤： 125um
★涂覆层直径
125um
普通光纤
• 1993年后，全球范围信息高速公路的建设。 • 到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而
已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电 子到光电子的跨越。 • 光纤的出现带动了集成光学的发展。
7
光纤技术的发展前景
• 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一 直是人们追求的目标,而全光网络也是人Hale Waihona Puke Baidu不懈追求的梦 想。所以我们应该努力向以下几个方面去发展： ①向超高速系统的发展。 ②向超大容量WDM系统的演进。 ③开发新代的光纤 ④全光网络。
的论文“光频介质纤维表面波 导”，明确提出通过改进制备工 艺，减少原材料杂质，可使石英 光纤的损耗大大下降，并有可能 拉制出损耗低于20dB/km的光纤。
5
光纤损耗
➢ 1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的科学预言变为现实， 研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的 石英光纤，取得了重要的技术突破。
光纤的优点
• 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ①传输频带极宽，通信容量很大；
②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；
③串扰小，信号传输质量高；
④光纤抗电磁干扰，保密性好；
⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；
⑥耐化学腐蚀；
⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大 量有色金属。
• 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发 展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处 于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋 势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主 的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未 来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是 通信技术发展的最高级别,更是理想级别。
（b）临界状态： r 90o , 临界角i0 arcsin(n2 / n1)
（c）全反射 ： i i0
17
2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
斯涅尔定律 n0 sini n1 sin j n1 sink n2 sinr n0 1.0 j k 90o
sini n12 n22 sin 2 r
一、光纤的基本概念
9
1、介质光波导
空间传播光与导波光
➢ 空间传播光：在自由空间中(或均匀介质中)传播的
光 ➢导波光：相对于空间传播的光，光被限制在与传播 方向垂直的截面内，在密闭区传播的光。
光波导：约束导波光的介质
➢平板波导 ➢矩形波导 ➢光导纤维(光纤)
10
平板波导
覆盖层 n3 薄膜 n1 衬底 n2
245um
内层 － 170～200um
外层 － 245um
光纤的种类
• 光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有五 种方法
• ①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、 液芯光纤、氟化物光纤、重金属氧化物光纤等。
• ②按传输模式分：单模光纤、多模光纤。 • ③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光
• 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设; 光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。 由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信 的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工 业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。
光纤通信的发展历程
➢ 从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制 导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨 /公里，有色金属的消耗实在是太大。
纤、W型光纤。 • ④按照波长划分：目前所应用的光纤可以传输从紫外线到
近红外波长，即0.3-1.6微米 • ⑤按照用途划分：传输信息的光纤（光通信）和传输能量
的光纤（导光纤维）
2、光导纤维的结构和导光原理
• 光纤导光条件：全反射
16
2-1、斯涅尔定理
当光由光密介质出射至光疏介质时
（a）折射角大于入射角： n1 sini n2 sinr
➢ 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢， 主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多 分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。
4
光纤通信的发展历程
➢ 世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名
➢在短短几十年时间里，光纤的损耗已由 1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信 在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。
6
光纤通信的发展历程
• 20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走 向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价， 传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。
• 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的 纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤实际是指由 透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的 材料做成的包层，并将射入纤芯的光纤的光信号，经包层界 面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤主要有两 个特性：损耗和色散。光纤通信具有传输频带宽，容量大， 传输距离远，质量高，保密性好等优点。光纤的优良特性， 使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等 多方面领域被广泛而大量应用，尤其在信息技术领域具有广 阔的应用前景。
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2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
sini n12 n22 sin 2 r
r 90o 发生全反射，光线可在光纤中传播
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i i0 arcsin n12 n22
光线的传播
1. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）
Cladding Cladding
光线的传播
介质平板波导结构： n1 n2 n3 在横截面的一个方向限制光波传播
11
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
在横截面的两个方向限制光波传播
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光纤
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光纤尺寸
★芯径 单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
★包层直径 普通光纤： 125um
★涂覆层直径
125um
普通光纤
• 1993年后，全球范围信息高速公路的建设。 • 到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而
已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电 子到光电子的跨越。 • 光纤的出现带动了集成光学的发展。
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光纤技术的发展前景
• 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一 直是人们追求的目标,而全光网络也是人Hale Waihona Puke Baidu不懈追求的梦 想。所以我们应该努力向以下几个方面去发展： ①向超高速系统的发展。 ②向超大容量WDM系统的演进。 ③开发新代的光纤 ④全光网络。
的论文“光频介质纤维表面波 导”，明确提出通过改进制备工 艺，减少原材料杂质，可使石英 光纤的损耗大大下降，并有可能 拉制出损耗低于20dB/km的光纤。
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光纤损耗
➢ 1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的科学预言变为现实， 研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的 石英光纤，取得了重要的技术突破。
光纤的优点
• 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ①传输频带极宽，通信容量很大；
②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；
③串扰小，信号传输质量高；
④光纤抗电磁干扰，保密性好；
⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；
⑥耐化学腐蚀；
⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大 量有色金属。
• 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发 展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处 于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋 势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主 的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未 来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是 通信技术发展的最高级别,更是理想级别。
（b）临界状态： r 90o , 临界角i0 arcsin(n2 / n1)
（c）全反射 ： i i0
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2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
斯涅尔定律 n0 sini n1 sin j n1 sink n2 sinr n0 1.0 j k 90o
sini n12 n22 sin 2 r
一、光纤的基本概念
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1、介质光波导
空间传播光与导波光
➢ 空间传播光：在自由空间中(或均匀介质中)传播的
光 ➢导波光：相对于空间传播的光，光被限制在与传播 方向垂直的截面内，在密闭区传播的光。
光波导：约束导波光的介质
➢平板波导 ➢矩形波导 ➢光导纤维(光纤)
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平板波导
覆盖层 n3 薄膜 n1 衬底 n2
245um
内层 － 170～200um
外层 － 245um
光纤的种类
• 光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有五 种方法
• ①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、 液芯光纤、氟化物光纤、重金属氧化物光纤等。
• ②按传输模式分：单模光纤、多模光纤。 • ③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光
• 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设; 光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。 由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信 的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工 业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。
光纤通信的发展历程
➢ 从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制 导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨 /公里，有色金属的消耗实在是太大。
纤、W型光纤。 • ④按照波长划分：目前所应用的光纤可以传输从紫外线到
近红外波长，即0.3-1.6微米 • ⑤按照用途划分：传输信息的光纤（光通信）和传输能量
的光纤（导光纤维）
2、光导纤维的结构和导光原理
• 光纤导光条件：全反射
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2-1、斯涅尔定理
当光由光密介质出射至光疏介质时
（a）折射角大于入射角： n1 sini n2 sinr
➢ 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢， 主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多 分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。
4
光纤通信的发展历程
➢ 世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名
➢在短短几十年时间里，光纤的损耗已由 1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信 在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。
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光纤通信的发展历程
• 20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走 向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价， 传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。